Fotovoltaik

Die auf der Erde zur Verfügung stehende solare Energie kann nicht nur als Wärmeenergie genutzt (durch solarthermische Anlagen), sondern auch direkt in elektrische Energie umgewandelt werden.

Das Kernstück der Solarzellen bilden Elemente aus Halbleitermetallen, in die auf der oberen, dem Licht zugewandten Seite „leichtere“ Fremdatome (n-Schicht) und auf der unteren Seite „schwerere“ Fremdatome (p-Schicht) gezielt eingelagert werden (z.B. Silicium mit Bor in der n-Schicht und Phosphor in der p-Schicht). Wenn Sonnenlicht auf das so behandelte Material fällt, werden freibewegliche Elektronen und ebenfalls frei bewegliche „Löcher“ (auch „Elektronenfehlstellen“ genannt) in der Kristallstruktur des Halbleitermaterials angeregt. Die Elektronen wandern dabei zur n-Schicht, die Löcher zur p-Schicht. Über die Metallkontakte auf der Front- (Kontaktfinger = Minuspol) und an der Rückseite (Pluspol) wird ein Spannungsausgleich hergestellt und Gleichstrom in das Verbrauchernetz eingespeist.

Fotovoltaik-Zellen

Prinzip der Stromerzeugung in Fotovoltaik-Zellen

Abhängig vom Herstellungsverfahren werden bei Photovoltaik-Zellen drei verschiedene Typen unterschieden:

• Bei monokristallinen Zellen besteht die Halbleiterschicht aus einer Scheibe (englisch: wafer) eines Silizium-Einkristalls, der in einem zeitaufwendigen Prozess in einer Siliziumschmelze hergestellt wird (Schmelzkristallisation mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von 1 bis 2 cm pro Stunde).
• Für multikristalline Zellen wird aus einer Siliziumschmelze durch kontrolliertes Erstarren ein Halbleiterblock oder -strang hergestellt, in dem eine Vielzahl von Einkristalle miteinander verwachsen sind. Das erstarrte Material wird für die Herstellung der Solarzelle in dünne Scheiben gesägt.
• Bei Dünnschichtzellen wird auf die Herstellung von „massiven“ Scheiben verzichtet und das Halbleitermaterial direkt auf eine Trägerplatte, z.B. aus Glas, aufgedampft. Auf diese Weise verringert sich die Stärke der Halbleiterschicht von 0,3 mm auf nur noch 3 -10 um und damit auch die Kosten für ein Modul.

Photovoltaik-Anlagen werden in den meisten Fällen für den Netz-parallelbetrieb ausgelegt, d.h. die Einspeisung des erzeugten elektrischen Stroms in das Verteilnetz des Stromversorgers steht im Vordergrund, die Eigennutzung im betreffenden Gebäude ist aber weiterhin möglich. Die einzelnen Module (i.d.R. bestehend aus 20 oder mehr Photovoltaik-Zellen) erzeugen Gleichstrom, der vor einer Nutzung im Hausnetz oder vor der Einspeisung in das Versorgernetz durch Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird. Für Wechselrichter werden derzeit hauptsächlich drei verschiedene Systeme eingesetzt:

• Bei Zentralwechselrichtern werden die Module in Reihe oder parallel geschaltet, so dass die Energie ausschließlich auf der Gleichstromseite „gebündelt“ wird.
• Strangwechselrichter erlauben es, die Module gleichstromseitig in Reihe zu schalten und wechselstromseitig die Wechselrichter parallel zu schalten.
• Bei Modulintegrierten Wechselrichtern werden die Wechselrichter auf der Wechselstromseite parallel geschaltet, so dass die Bündelung auf der Wechselstromseite erfolgt.

Die beiden letzten Typen eignen sich insbesondere für Anlagen mit unterschiedlich verschatteten oder ausgerichteten Modulen. Darüber hinaus verringert sich dabei der Installationsaufwand auf der Gleichstromseite.

Solarzellen und -module werden in erster Linie durch zwei Größen gekennzeichnet. Die Nennleistung (Pnenn, englisch: PMPP kWp) ist definiert als die maximale Leistung, die eine Solarzelle unter Standard-Test-Bedingungen liefern kann. Diese Leistung wird aber im „normalen“ Anlagenbetrieb nicht erreicht. Der Wirkungsgrad (ηZelle) einer Solarzelle ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der erzeugten elektrischen Leistung zu der eingestrahlten solaren Leistung. Je nach Hersteller und Zellentyp liegen die Wirkungsgrade von Solarzellen in der Praxis derzeit zwischen 7 und 17 % (unter Laborbedingungen, bei Nennleistungsbetrieb: 13 bis 24 %).

Als Faustregel kann in der Praxis angesetzt werden, dass bei einer installierten Nennleistung von 1 kWp ein Ertrag von 750 bis 870 kWh/a in Deutschland erhalten werden kann. Die benötigte Fläche für die Photovoltaik-Anlage ist dabei abhängig vom Hersteller und Modultyp. Bei kristallinen Modulen ist von 7 - 9 m2 Modulfläche pro kWp auszugehen, Dünnschichtzellen benötigen etwa die doppelte bis dreifache Fläche.